Прогнозирование остаточного ресурса рам промышленных тепловозов тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.22.07, кандидат наук Григорьев Павел Сергеевич

• Григорьев Павел Сергеевич
• кандидат наук
• 2016

Оглавление диссертации кандидат наук Григорьев Павел Сергеевич

Введение

1 Обзор работ, представляющих основу для решения задач по прогнозированию остаточного ресурса

1.1 Обзор работ

1.2 Постановка задачи и структура предлагаемой диссертации

1.3 Выводы по разделу

2 Технология расчетной оценки сопротивления усталости и долговечности несущих узлов подвижного состава

2.1 Общие предпосылки

2.2 Построение простейших расчетных зависимостей по оценке напряженного состояния, влияющего на усталостные повреждения

2.3 Оценка допускаемого уровня напряжений, при которых обеспечивается сопротивление усталости

2.4 Пример численной реализации расчетных формул

2.5 Вариант учета остаточных напряжений в зонах сварных элементов рам подвижного состава

2.6 Выводы по разделу

3 Оценка средних напряжений цикла в несущих рамах промышленных тепловозов на основе конечно-элементного расчета от статических нагрузок

3.1 Основы метода конечных элементов, реализуемых в программном комплексе SolidWorks

3.2 Основные положения конечно-элементной реализации программного продукта, применяемого для статического расчета

3.3 Подготовка исходных данных для выполнения статического расчета

3.3 Статический расчет рамы промышленного тепловоза

3.4 Выводы по разделу

4 Моделирование динамической нагруженности несущего узла локомотива при движении по неровностям железнодорожного пути

4.1 Определение динамической нагруженности с учетом нормативных коэффициентов вертикальной динамики

4.2 Определение динамической нагруженности рамы локомотива на основе анализа динамических моделей, учитывающих сухое трение в рессорном подвешивании

4.2.1 Принятые допущения

4.2.2 Математическая модель вертикальных колебаний локомотива с упрощенным учетом влияния характеристик неподрессоренных частей

4.2.3 Математическая модель вертикальных колебаний локомотива с уточненным учетом влияния характеристик неподрессоренных частей

4.2.4 Исходные данные, необходимые для анализа математической модели

4.2.5 Результаты расчета

4.3 Определение нагруженности рамы локомотива с применением динамической модели и учетом эквивалентного вязкого трения

4.4 Выводы по разделу

5 Расчетная оценка остаточного ресурса рамы промышленного тепловоза ТГК2105

5.1 Численные оценки по определению остаточного ресурса несущих конструкций локомотивов

5.2 Выводы по разделу

Заключение

Список сокращений и условных обозначений Список литературы

116

Приложение А Результаты замеров толщин несущих конструкций локомотивов

Приложение Б Численная реализация расчетных формул

Приложение В Результат реализации вычислений исходных данных в программе MathCad

Приложение Г Численные результаты расчетов, реализующих решения дифференциальных уравнений в программе MathCad

Приложение Д Результаты расчетов остаточного ресурса рамы промышленного тепловоза в программе MathCad

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Прогнозирование остаточного ресурса рам промышленных тепловозов»

Введение

Актуальность темы исследования. В последние годы Российская Федерация ведет активную внешнюю политику, сотрудничая со странами СНГ. Одним из результатов такого сотрудничества является создание 1 января 2010 года Евразийского таможенного союза. В рамках экономической интеграции были разработаны Технические регламенты, которые охватывают различные виды продукции. Так 2 августа 2014 года был принят «Технический регламент. О безопасности железнодорожного подвижного состава».

Регламент распространяется на вновь разрабатываемые (модернизируемые), изготавливаемые железнодорожный подвижной состав и его составные части, выпускаемые в обращение для использования на железнодорожных путях общего и необщего пользования шириной колеи 1520 мм на таможенной территории таможенного союза со скоростями движения до 200 км/ч включительно [1]. Согласно Статьи 2 «Определения», было использовано понятие «назначенный срок службы» - календарная продолжительность эксплуатации продукции, при достижении которой эксплуатация продукции должна быть прекращена независимо от ее технического состояния.

В содержании вышеупомянутой регламентирующей документации не отрицаются требования, препятствующие решению вопросов о полном использовании ресурса тягового подвижного состава, в частности, малозагруженного промышленного. Поскольку такого рода локомотивы, в большинстве своем - собственность представителей малого и среднего бизнеса, имеется большой интерес к полному использованию их остаточного ресурса без ущерба безопасности движения. При этом обеспечивается отдаление потребности в приобретении новой техники, что актуально для собственников.

В диссертации рассматриваются вопросы, связанные с локомотивами промышленного транспорта, используемыми на подъездных путях и принадлежащими частным организациям. Анализ особенности работы таких

локомотивов позволяет отметить низкую интенсивность их эксплуатации, что позволяет собственникам, используя законодательные акты, ставить вопрос об использовании более полного ресурса этой техники.

Из изучения эксплуатации промышленных тепловозов было замечено, что большинство локомотивов можно эксплуатировать в течении большего срока, нежели предусмотрен нормами. Анализ состояния узлов локомотивов в течение срока эксплуатации показал, что рама - основной узел, определяющий срок службы локомотива. Учитывая сказанное, изучение условий отбраковки рамы по результатам определения ее остаточного ресурса является актуальной задачей.

В связи с тем, что рама локомотива подвержена циклическим динамическим нагрузкам в процессе эксплуатации, следует уделять особое внимание исследованиям сопротивлению усталости [2] данного несущего узла. По расчетным оценкам усталостных повреждений в зависимости от пробега можно учитывать остаточный ресурс рамы.

К решению задач по оценке технического состояния подвижного состава можно подойти, используя математическое моделирование и анализ математических моделей работы рассматриваемых узлов, подтверждая полученные результаты экспериментальными исследованиями.

Комплексный подход к оценке остаточного ресурса был применен в ОАО «ВНИКТИ» и реализован в положении «Локомотивы. Порядок продления назначенного срока службы» [3], утвержденном Решением Совета по железнодорожному транспорту государств - участников Содружества. В разработанном документе установлен порядок процедуры определения остаточного ресурса и продления назначенного срока службы локомотивов. В соответствии со схемой, представленной в Положении при участии экспертных организаций, были проведены работы по определению остаточного ресурса и продления срока службы промышленных тепловозов. На первом шаге проводимых работ были проанализированы формуляры обследуемых локомотивов. Особое внимание при анализе уделялось отсутствию каких-либо рекламаций, а также повреждений, полученных в результате эксплуатации

локомотива. Как показала практика, все заявленные на продление срока службы локомотивы такого рода замечаний не имели.

На втором этапе проводимых работ было проведено обследование рамы локомотива. Обследование рамы состояло в выявлении дефектов на ней. Дефекты выявлялись визуально в соответствии с типовой методикой, указанной в положении, а также с помощью капиллярного контроля. Также были проведены замеры толщин рам локомотивов. Результаты обследований рам приведены в Приложении А.

Результат замеров толщин рам показал, что рамы локомотивов практически не подвержены коррозии. Это связано с рядом факторов, таких как нанесение краски при выполнении ремонтных работ, попадание смазочных материалов во время эксплуатации локомотивов и др., что позволяет избежать коррозийного износа несущих конструкций, эксплуатируемых в тяжелых условиях.

Как было отмечено выше, главная рама локомотива подвержена циклическим нагрузкам, в связи с чем при выполнении пункта 6 (Оценка остаточного ресурса) схемы, указанной в Положении «Локомотивы. Порядок продления назначенного срока службы» П.15.01-2009 [3], к определению остаточного ресурса рамы локомотива следует подходить с точки зрения сопротивления несущей конструкции усталостным повреждениям. На сегодняшний день для решения таких задач необходимо большое количество исходной информации и трудовых затрат. С учетом изложенного, разработка методики оценки по определению остаточного ресурса конструкции при ограниченной исходной информации является актуальной задачей.

Степень разработанности темы. В основе всех работ по оценке сопротивления усталости конструкций лежат публикации отечественных ученых Болотина В.В. [4, 5], Когаева В.П. [6], Серенсена С.В. [7], Шнейдеровича Р.М. [7] и др. Исследования названных ученых позволили в области машиностроения решать задачи оценки остаточного ресурса конструкций, подверженных циклическим нагрузкам. В частности, применительно к железнодорожному транспорту в отраслевых научно-исследовательских институтах ВНИКТИ,

ВНИИЖТ и университетах МИИТ, ПГУПС, БГТУ и др., проводились исследования несущих конструкций подвижного состава. На кафедре «Электрическая тяга» (в настоящее время «Электропоезда и локомотивы») МИИТа профессорами Савоськиным А.Н. и Сердобинцевым Е.В. были проведены многочисленные испытания магистральных тяговых единиц, в результате чего набрано большое количество статистической информации о нагруженности несущих узлов, послужившей для оценок сопротивления усталости, и отраженных в учебной литературе [8]. Обобщение большого объема работ в этой области выполнено ВНИКТИ, докторами технических наук Э.С. Оганьяном, Г.М. Волоховым в монографии [9], которая издана в 2013 году. Следует отметить, что выполненные исследования относятся к магистральному подвижному составу. На сегодняшний день во ВНИКТИ и БГТУ ведется активная работа по решению практических задач методом математического моделирования с использованием современных программных продуктов. Авторы В.С. Коссов Э.С. Оганьян, Г.М. Волохов, М.Н. Овечников и др. решали задачи, по математическому моделированию с использованием метода конечных элементов применительно к тяговому подвижному составу [10 - 12]. Известно, что этими задачами во ВНИКТИ активно занимались Н.Ф. Красюков, А.Л. Протопопов. В БГТУ Д.Я. Антипиным и в ВНИИЖТ Ю.М. Черкашиным [13, 14], были решены задачи, по оценке ресурса несущих конструкций подвижного состава. Но в публикациях не отражаются сведения о подобных исследованиях по локомотивам промышленного транспорта.

В диссертации приемы оценки воздействия знакопеременных нагрузок позволили получить численные оценки рабочих качеств рамы конкретного промышленного тепловоза, которые способствовали решению практических задач, с использованием ограниченного количества исходной информации.

Цели и задачи. Цель представленной работы состоит в решении сложной задачи предотвращения преждевременного исключения из эксплуатации исправных, по состоянию несущей рамы, единиц подвижного состава, а также в обеспечении прогнозной оценки при создании новых промышленных тепловозов

с учетом требований безопасности движения в течение установленного срока службы.

Для достижения поставленной цели в диссертации решены следующие задачи:

- разработка методов оценки сопротивления усталости и долговечности основного несущего узла промышленного тепловоза. При этом следует учитывать недостаток информации, необходимой для использования известных подходов к оценке сопротивления усталости;

- определение напряженно-деформированного состояния рамы промышленного тепловоза от действия статических нагрузок.

- разработка и реализация математических моделей колебаний локомотива при движении по пути с учетом особенностей работы этого вида подвижного состава;

- анализ динамической нагруженности рамы локомотива на основе применения разработанных математических моделей;

- анализ сопротивления усталости рамы локомотива и определение его остаточного ресурса на основе разработанного подхода.

Научная новизна исследований. Предложена методика моделирования динамической нагруженности рамы тепловоза.

Разработана методика оценки усталостных повреждений рамы промышленного тепловоза на основе детерминированного подхода.

Выполнено исследование влияния ударных воздействий от прохода стыков рельсового пути на раму промышленного тепловоза.

Оценена динамическая нагруженность и сопротивление усталости рамы под влиянием прохода стыков.

Теоретическая и практическая значимость работы заключается в том, что предложенная методика расчета позволяет ускорить решение комплексных задач при эскизном проектировании и оценке остаточного ресурса, эксплуатируемых локомотивов, используя ограниченный объем исходной информации.

Методология и методы исследования. Классические подходы к решению задач по оценке сопротивления усталости, метод конечных элементов, с использованием объемных элементов, реализуемый с помощью программного комплекса SoHdWorks, дифференциальные уравнения динамики подвижного состава, численные и аналитические методы их интегрирования.

Положения, выносимые не защиту. Методика оценки остаточного ресурса рамы промышленного тепловоза в условиях ограниченного объема информации, при которой не представляется возможным использовать статистические подходы расчетного анализа. Методика основана на:

- результатах натурного обследования, характера износа, повреждений несущих элементов рамы;

- комплексном расчетном анализе статического напряженно-деформированного состояния (НДС) рамы с использованием объемных конечных элементов, учитывающем износовые повреждения и воздействия расчетных нормативных нагрузок;

- моделировании динамических нагрузок, обусловленных движением по путям промышленных предприятий;

- моделирования сопротивления усталости с учетом ежесуточных пробегов локомотивов.

Степень достоверности работы подтверждается удовлетворительной сходимостью результатов численных и аналитических методов расчета математической модели локомотива, и, как было отмечено выше, опытом эксплуатации.

Апробация работы. Содержание работы было представлено в виде докладов на научно-техническом семинаре кафедры «Электропоезда и локомотивы», на заседании кафедры «Электропоезда и локомотивы» МИИТа, на VIII Международной научно-технической конференции «Подвижной состав XXI века: идеи, требования, проекты» в Санкт-Петербурге в 2013 году.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 5 печатных работ, из них 3 работы в журналах, рекомендованных ВАК России.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 5 разделов, заключения, списка сокращений и условных обозначений, списка использованных источников, приложений, содержит 150 страниц основного машинописного текста, 44 рисунка, 1 таблицу, а также приложения на 24 страницах.

1 Обзор работ, представляющих основу для решения задач по прогнозированию остаточного ресурса

1.1 Обзор работ

Фундаментальной основой всех работ, связанных с оценкой сопротивления усталости деталей подвижного состава, служат труды известных российских ученых, к ним следует отнести издания, подготовленные Серенсеном С.В., Когаевым В.П., Шнейдеровичем Р.М. [7], Болотиным В.В. [4, 5], Когаевым В.П. [6]. Материалы этих изданий получили широкое применение в значительном количестве приложений, описания которых приводятся в статьях [15 - 22], а также во многих других работах, относящихся к различным областям машиностроения.

Естественно, и в практике оценки сопротивления усталости узлов подвижного состава используются идеи вышеуказанных фундаментальных работ. Можно упомянуть опубликованные ВНИИЖТом исследования [23 - 26]. В МИИТе развитию методов оценки сопротивления усталости подвижного состава были посвящены работы Савоськина А.Н. [27], Сердобинцева Е.В. [28]. Как уже отмечалось, результаты исследований в этой области, проведенных во ВНИКТИ обобщены в работе [9]. На основе выполненных исследований были разработаны математические модели накопления усталостных повреждений, учитывающие случайный характер всех параметров, определяющих наработку детали до отказа. На основе статистических данных, собранных в результате многочисленных экспериментов, проводившихся на магистральной технике, были определены характеристики нагруженности несущих деталей подвижного состава с учетом зависимостей этих характеристик от скоростей движения. Стоит отметить, что результаты этих работ были включены в «Нормы для расчета и оценки прочности несущих элементов, динамических качеств и воздействия на путь экипажной части локомотивов железных дорог МПС России колеи 1520 мм», «Нормы

расчета на прочность и проектирования механической части новых и модернизируемых вагонов железных дорог МПС колеи 1520 мм (несамоходных)», а также в «Руководящие материалы (РТМ). Рекомендации. Методы и требования к расчету надежности при проектировании и модернизации грузовых магистральных вагонов».

Следует еще раз обратить внимание на то, что в работах указанных авторов использовался большой объем экспериментальной информации по конструкциям магистрального подвижного состава и подвижного состава метрополитена.

Естественно, что при оценке сопротивления усталости требуется выполнить оценку напряженно-деформированного состояния (НДС) рассматриваемого объекта, чтобы выявить опасные зоны. Эти вопросы относятся к области строительной механики и прикладной теории упругости.

Известные методы сил и перемещений, для стрежневых конструкций, успешно использовались при расчетах НДС на протяжении нескольких десятилетий. Суть этих методов подробно представлена в учебниках [29 - 31]. Основным их преимуществом является простота. Вычисления не требуют больших вычислительных мощностей. Использование данных подходов при оценке НДС эффективно для выбора геометрических параметров сечений элементов при проектировании, вместе с тем при исследовании зон сопряжений элементов конструкции следует проводить более детальный анализ. В свою очередь в работах А.В. Верховского [32], А.А. Рахмилевича [33], В.Д. Цукермана [34], а также А.С. Лисовского, В.К. Окишева, и Ю.А. Усманова [35 - 38] наиболее полно и обосновано, представлены уточняющие методики расчета криволинейных участков конструкций боковой рамы тележки грузовых вагонов. В работе В.К. Окишева [38], были рассмотрены случаи большой переменной кривизны в тонкостенных брусьях.

Анализируя рассмотренные методы можно заметить, что они не позволяют учитывать влияния сложных конструктивных форм. В современных условиях необходимо применять новые, более совершенные методы анализа НДС несущих конструкций подвижного состава.

В настоящее время самым эффективным методом расчета является метод конечных элементов (МКЭ). Этому предшествует ряд причин. Например, рассматривая метод конечных разностей (МКР) стоит отметить, что при учете условий на границе области, представляющей модель конструкции несущего узла, настолько сложно, что МКР не в состоянии конкурировать с методом граничных интегральных уравнений (МГИУ) и МКЭ.

В работе [39] были сделаны выводы, о том, что эффективность МГИУ по сравнению с МКЭ снижается при исследовании тонкостенных конструкций. Как раз к ним относятся несущие узлы подвижного состава.

Подробный анализ и сравнение МКР, МГИУ и МКЭ приводятся в работах [39 - 45].

Иначе говоря, за основное преимущество при расчете с использованием МКЭ, по сравнению с аналитическими подходами, использующими дифференциальные уравнения, состоит в том, что он позволяет решить задачи для области любой формы, и при любых границах и нагрузках.

Развитие компьютерной техники в XX веке повлекло за собой стремительное появление коммерческих компьютерных программ, использующих МКЭ в своих алгоритмах. В последнее время разработчики программного обеспечения делают большой акцент на удобство работы и клиентоориентированность своей продукции. Однако, не смотря на стремления разработчиков, для получения правильных и достоверных результатов необходимы знания основ метода и ограничения, связанные с применением этого метода.

Идея метода конечных элементов заключается в том, что любая непрерывная величина (перемещение, давление, температура и т.д.) аппроксимируются дискретной моделью, построенной на множестве кусочно-непрерывных функций.

В начале исходная область разбивается на мелкие элементы. Стоит отметить, что их структура должна быть проста для хранения и обработки с помощью современных вычислительных машин. Для плоских задач к таким

элементам можно отнести треугольники или прямоугольники. После разбиения исходной области, внутри каждого разбиения задается пробная функция распределения перемещений в максимально простой форме - как правило это полином третьей или четвертой степени. Краевые условия для элемента задаются вдоль стороны треугольника или прямоугольника. В отличие от метода Ритца [46] при использовании МКЭ, для повышения точности вычисления, следует выполнить более мелкое разбиение области с сохранением тех же полиномов.

Самым распространенным объемным конечным элементом при решении сложных объемных задач можно отнести тетраэдральный элемент. Впервые элемент такой геометрии предложили использовать Галлагер и др. [47] и Мелош [48]. Позднее Аргирис [49, 50]. Рашид [51] рассмотрел решение практических задач с использованием ЭВМ. Как было сказано ранее, для получения более высокой точности необходимо использовать большее количество тетраэдральных элементов. Это приводит к увеличению числа уравнений, что несколько ограничивает применение метода, если при расчете используется маломощная компьютерная техника.

Иначе говоря, работ в этой области чрезвычайно много, и в этом обзоре целесообразно отметить труды ученых МИИТа Александрова А.В., Потапова В.Д., Шапошникова Н.Н., Державина В.Б., Лащеникова Б.Я. [52 - 54]. Перечисленные авторы являются представителями школы крупнейшего российского специалиста - А.Ф. Смирнова [55 - 57].

Стоит отметить, что А.Ф. Смирновым впервые было предложено использовать теорию матриц в расчетах сложных конструкций. Упомянутыми учениками его школы эти идеи реализованы применительно к системам, образованным стержнями, пластинами, оболочками, корпусными деталями. В конечном счете, что МКЭ реализуется в форме метода перемещений. Для объекта формируются одинаковые по структуре матричные уравнения, которые имеют вид:

[г] м> = /3,

где [г] - матрица реакций конечных элементов на соответствующие узловые перемещения, каждый элемент которой представляет реакцию конечного элемента на соответствующий вид перемещения;

# - вектор узловых перемещений;

р - вектор компонентов нагрузки, приведенных к узловым точкам конечно-

элементной модели.

Физический смысл уравнения - условие равновесия всех сил внутренних и внешних, которые приведены к соответствующим узлам расчетной схемы. Если

дополнить уравнение слагаемым [т]ц>, то тогда система будет описывать работу объекта в условиях динамического нагружения. Здесь: [т] - матрица

инерционных коэффициентов, # - вектор ускорений узловых точек объекта. По сути дела, все промышленные программные комплексы по расчету напряженно-деформированного состояния (НДС) реализуют эту идею, что подчеркивает важную роль, принадлежащую ее авторам.

Следует иметь в виду, что результаты глубоких статических и динамических расчетов НДС крайне необходимы при реализации исследований долговечности в вероятностной и детерминированной постановке. В современных условиях выполнение таких расчетов реализуется с помощью метода конечных элементов (МКЭ) в различных промышленных программных комплексах [58 -62].

Поскольку износостойкость деталей подвижного состава и долговечность их работы тесно взаимосвязаны, следует упомянуть работу Сакало В.И. [63].

На сегодняшний день существует множество различных программ, позволяющих осуществлять углубленную оценку на завершающих стадиях проектирования. Это позволяет сократить значительные затраты времени и трудовых ресурсов при испытаниях и производстве конструкций, т.к. удачные расчетные оценки способствуют исключению дорогих экспериментальных проверок работоспособности объекта.

На сопротивление усталости влияют многочисленные факторы, такие как: абсолютный размер поперечного сечения, концентрация напряжений, качество обработки поверхностей, температура, внешняя среда, коррозия трения.

Очевидно, что усталостная прочность напрямую связана с воздействием динамических нагрузок, обусловленных движением подвижного состава по неровностям пути и отражающих условия работы подвижного состава.

Проблемам моделирования динамических процессов посвящено также значительное количество работ, которые базируются на фундаментальных положениях теории колебаний, которая получила описание в трудах Тимошенко С.П. [64], Филиппов А.П. [65, 66], Бабаков И.М. [67] и др.

В применении к железнодорожному подвижному составу положения этой теории отражены в книгах [8, 68, 69]. В данных работах обстоятельно рассматриваются вопросы, обеспечивающие возможность успешного математического моделирования и анализа математических моделей процессов движения подвижного состава по железнодорожному пути. Результат анализа математических моделей представляет возможность расчетным путем обеспечить грамотный выбор параметров рассматриваемых объектов, при которых будут соблюдаться условия их безопасного движения.

Знакомство с литературой, связанной с оценкой усталостной прочности нагруженных узлов, ответственной машиностроительной техники (например, грузоподъемных машин), показывает, что в этой области существует много интересных разработок в виде нормативной научно-технической документации, о которой упоминается в книге [70]. Кроме того, полезно отметить, что материалы названной книги представляют интерес для разработки ускоренных методов оценки усталостной прочности. Также в ней приводится четкое описание алгоритма расчета в вероятностной постановке усталостной долговечности при наличии необходимой экспериментальной информации.

1.2 Постановка задачи и структура предлагаемой диссертации

Многие транспортные операции внутри промышленных предприятий обеспечиваются с помощью специально выпускавшихся для этой цели промышленных тепловозов. Этот вид подвижного состава отличается тем, что его эксплуатация происходит при низких скоростях движения, и заведомо можно утверждать, что накопления повреждений в их несущих элементах до предельного значения имеют продолжительный срок, поэтому вполне обоснованно желание собственников этого подвижного состава увеличить время эксплуатации.

Как было сказано ранее, в 2014 году Таможенным союзом был введен в действие Технический регламент «О безопасности железнодорожного подвижного состава». Согласно этому регламенту, исключается возможность продления срока службы подвижного состава, если не осуществляются работы, связанные с его модернизацией. Возможность продления срока службы с учетом модернизации позволяет обеспечить значительное снижение затрат собственников локомотивов, имеющих в своем парке подвижной состав с истекшим сроком службы.

На этапе разработки технических условий на проведение работ по модернизации, очевидно, должны решаться вопросы оценки эффективности такого мероприятия для того, чтобы исключить убытки, которые могут получить владельцы локомотивов - представители малого и среднего бизнеса. Прежде чем будет решена экономическая сторона этого вопроса, необходимо провести оценку технического состояния наиболее дорогостоящих узлов конструкции, особенно тех, которые влияют на безопасность эксплуатации.

Одна из доминирующих ролей в безопасности эксплуатации и стоимости локомотива принадлежит его раме. Повреждаемость элементов рамы, влияющих на безопасность движения, обусловлена, в основном, усталостными явлениями,

которые связаны с изменяющейся во времени нагрузкой, передающейся на детали рамы от ходовых частей.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Григорьев Павел Сергеевич, 2016 год

- - + и

; при <г <■'

V

дв

V

дв

сЯ -,

кб

-Р( г —) -

е Р Бт(сг) + е Бт(с(г )) +

V

дв

-Р(г-+е в Бт(с(г - )) +

V,

дв

4 +- р

-Р( г - -*-£-)

+е

1б + -Бт(с(г--- ))

V

дв

; при г >

- + Ь

р 6

V

дв

к

к

<

<

Процесс вычислений по приведенным формулам реализован в программе MathCad (Приложение Г). В этой программе осуществляется подсчет усилий,

действующих на опорные точки локомотива. Формулы пересчета перемещений в усилия в работе мы не приводим, поскольку она заложены в разработанной программе.

Графики, полученные в результате расчетов по аналитическим формулам, приводятся на рисунках 4.27-4.31. Графики, полученные по формулам аналитического решения и на основе численного интегрирования в случае вязкого трения, имеют хорошее совпадение. Расчет на основе аналитических формул показывает, что при выбранных параметрах доминирующая роль в формировании усилий на опорные точки принадлежит колебаниям подпрыгивания.

Следует отметить, что гасители колебаний с вязким трением имеют несколько преимуществ по сравнению с фрикционными гасителями, а именно:

- более эффективное гашение колебаний, так как при более высокой скорости сила вязкого трения выше;

- зависимость самой силовой характеристики от скорости удара, что выражается в том, что при низких скоростях удара характеристика гидравлического гасителя - мягкая, а при высоких скоростях удара - жесткая;

- при сухом трении происходит существенный износ трущихся поверхностей;

- силовая характеристика фрикционных гасителей нестабильна; для нее характерен срывной характер, а также высокая вероятность заклинивания;

- сила сухого трения существенно зависит от состояния трущихся поверхностей, что, в свою, очередь связано с погодными условиями;

К недостаткам гидравлических гасителей следует отнести сложность их конструкции и, как следствие, более высокую стоимость, а также сложность ремонта.

4.4 Выводы по разделу 4

1. Раздел посвящен определению динамических усилий на опорные точки промышленного тепловоза, возникающих при прохождении стыковых зазоров рельсовой колеи. Они служат исходным материалом для оценки усталостных повреждений опорных зон.

2. Определению этих усилий предшествовал анализ изменения величин коэффициента динамики для различных случаев его расчета по нормативным формулам, по результатам численного интегрирования дифференциальных уравнений, моделирующих движение с учетом различных схем гашения колебаний и в зависимости от изменения скорости движения.

3. Имеются заметные различия в значениях коэффициентов динамики, полученных по различным подходам. Результаты, полученные по нормативным формулам для локомотива, лучше корреспондируются с результатами численного моделирования.

4. При рабочих скоростях движения, составляющих около 30 км/ч результаты расчетов коэффициентов динамики близки для всех расчетных вариантов.

5. Исходя из проведенных исследований, можно заключить, что при выполнении работ по продлению сроков, связанных с оценкой остаточного ресурса, следует особое внимание уделять скоростным ограничениям на каждом конкретном предприятии, так как они будут влиять на уровень повреждающих усилий на несущие конструкции промышленного тепловоза.

6. Расчеты показали, что усилия на опорные точки при проходе локомотивом стыкового зазора могут достигать 0,035 МН на одну опорную точку. Это усилие будет составлять амплитудное значение знакопеременных нагрузок, действующих на повреждаемую зону.

7. Отмечено, что учет влияния неподрессоренных масс отражается на графике усилий в виде наложения высокочастотных вибраций на основной тон колебаний; при этом амплитудные значения изменяются мало.

5 Расчетная оценка остаточного ресурса рамы промышленного тепловоза

ТГК2

5.1 Численные оценки по определению остаточного ресурса несущих

конструкций локомотивов

Имеется много приемов расчетной оценки продолжительности срока службы и определения остаточного ресурса того или иного изделия. Обычно эти приемы перегружены сложными расчетами, требующими большого объема исходной информации. Поэтому, как уже не раз отмечалось, желательно иметь оценку по определению остаточного ресурса.

Ниже приводятся численные оценки, связанные с использованием вышеприведенных решений поставленных задач.

В работе [92] приведены результаты расчетов НДС несущей рамы локомотива ТГК2 в соответствии с требованиями «Норм...». Рама локомотива рассчитывалась на воздействие следующих нагрузок:

а) вертикальной статической нагрузки;

б) динамической вертикальной нагрузки, определенной умножением силы тяжести ее обрессоренной массы на коэффициент вертикальной динамики. Коэффициент вертикальной динамики по опыту расчетов и испытаний принят равным 0,4;

в) динамической продольной силы, определенной умножением силы тяжести обрессоренной массы рамы на коэффициент горизонтальной динамики. Инерция вращающихся частей, согласно нормам, учитывалась увеличением обрессоренной массы тележки на 40% [69]. Коэффициент горизонтальной динамики принят равным 0,4;

г) горизонтальной рамной силы, определенной для движения в прямом участке пути. В расчете принимается равным 7,2 тс;

д) нагрузки при трогании, с максимальной силой тяги. Максимальная сила тяги равна 10,5 тс;

е) нагрузки при длительной тяги (7,2 тс)

ж) нагрузки от соударения с ускорением 3 g.

Расчет выполнялся для следующих режимов [69]:

а) Режим 1 - режим трогания локомотива с места, включающий нагружение силами тяжести брутто и максимальной силой тяги при трогании;

б) Режим 2 - отражающий воздействие нагрузок, возникающих при движении с конструкционной скоростью.

Проведенные расчеты главной рамы тепловоза позволили сделать вывод, что рама тепловоза в целом обладает достаточной прочностью и сопротивлением усталости. Расчетные значения коэффициентов запаса сопротивления усталости оказались не менее 2. Полученные результаты позволяют утверждать, что рама обладает необходимой прочностью и долговечностью, в соответствии с требованиями действующих Норм.

Представляет интерес выполнить расчет по оценке сопротивления усталости и долговечности несущего узла локомотива, по методике, предложенной во втором разделе диссертации.

В качестве исходной информации принимаются результаты статического расчета, описанного в разделе 3. Также исходной информацией предлагается использовать среднесуточный пробег единицы подвижного состава. По среднесуточному пробегу можно определить число циклов динамических воздействий на несущий узел. Это число циклов должно учитывать воздействие наибольших динамических нагрузок. Естественно, что такие нагрузки будут возникать при проходе подвижным составом стыковых неровностей пути. Обозначим среднесуточный пробег I, а принимаемую в расчетах длину рельсового звена £р=12,5 м [93]. Тогда суточное число циклов будет составлять:

л, I

N = —. (5.1)

Ьр

В год число циклов будет составлять:

^год -365. (5.2)

Амплитуду динамических воздействий определим, воспользовавшись понятием коэффициента вертикальной динамики, определению которого посвящен четвертый раздел. Коэффициент вертикальной динамики был принят, в соответствии с зависимостью (Рисунок 4.15) при движении локомотива с максимально допустимой скоростью маневровой работы, равным Кд = 0,32.

В ориентировочных расчетах усталостной прочности можно воспользоваться формулой, взятой из [69]. Она идентична формуле (2.11), но записана относительно максимальных напряжений цикла с учетом коэффициента асимметрии и коэффициента чувствительности материала к асимметрии цикла.

о .

Если подставить в формулу (2.4) значение ог, как от + оа и R, как ^^, то

тах

формула (2.4) преобразуется в выражение (2.11).

N = -,-^-чт (5.3)

0-1д •2

■[(1 - Я) + V • (1 + Я)]

где N¡5 - базовое число циклов до разрушения, равное 107; N - число циклов работы детали до разрушения;

аг - максимальные напряжения цикла; они получаются в результате суммирования напряжений от статической нагрузки, которые можно рассматривать как средние напряжения цикла, с динамическими напряжениями:

аг о„ • (1+Кд); (5.4)

о-1д - предел усталостной прочности детали; определяется как предел усталости а-1 образца, изготовленного из материала детали, с учетом коэффициента концентрации Ка и коэффициента влияния формы детали на предел усталости;

R - коэффициент асимметрии цикла; определяется как:

Я =

• (1-К).

(5.5)

• (1+Кд у

у - коэффициент чувствительности материала к асимметрии нагружения Числовое значение величины заимствовано из книги [53];

т - показатель степени кривой усталости, определяемый по формуле (2.9). Срок службы в годах определяется по формуле:

Т =

N

N

(5.6)

год

Используя подход, описанный выше, с применением программного комплекса MathCad была построена зависимость срока службы локомотива от ежесуточного пробега. Вид программы представлен в Приложение Д. Реализация описанного расчета отображена в работе [94].

Результаты расчетов, в которых рассматривалась рама промышленного тепловоза - базовый несущий узел, показаны на рисунке 5.1. График показывает зависимость срока службы локомотива от ежесуточного пробега.

Рисунок 5.1 -Зависимость срока службы рамы локомотива от ежесуточного

пробега.

По результатам расчета, приведенным на рисунке 5.1, видно, что при среднем ежесуточном пробеге локомотива менее 150 км, срок эксплуатации локомотива до возможного возникновения в несущей конструкции усталостных повреждений составляет более 30 лет, что превышает установленный заводом изготовителем срок службы. Разница между расчетным сроком службы и использованным при эксплуатации будет составлять остаточный ресурс.

Представляет интерес рассмотреть вопрос о том, как будет изменяться остаточный ресурс рамы тепловоза, если предположить, что скоростной режим эксплуатации локомотива может изменяться, и вследствие этого будет изменяться амплитуда динамического воздействия.

Чтобы ответить на этот вопрос, необходимо воспользоваться гипотезой линейного суммирования повреждений, которая представлена формулой (2.13).

Естественно, необходимо иметь соответствующую статистику по скоростям движения локомотива, и с учетом ее решать задачу для каждого определенного случая. Стоит учесть, что при скоростях движения меньше 30 км/ч амплитудные значения напряжений оказываются меньше половины предела усталостной прочности детали. Из этого следует, что в расчетах на усталостную прочность на основе гипотезы линейного суммирования повреждений несущих рам локомотивов не должны учитываться воздействия, вызванные движением локомотива со скоростями ниже 30 км/ч.

Приведем пример расчета, предполагая, что учитывается заданное процентное распределение пробега с определенными скоростями. Для этого, используя формулу для определения коэффициента остаточного ресурса (2.15) на основе гипотезы линейного суммирования повреждений:

и (5 7)

Однако, в большинстве случаев выполнение маневровых работ проводятся на очень малых скоростях. В связи с чем в выражение (5.7) был введен

коэффициент к, показывающий долю эксплуатации локомотива на скоростях, оказывающих влияние на усталостную прочность:

n =

ост

N

k I

ni^npi

(5.8)

С применением выражения (5.8) были построена зависимости показывающие как меняется коэффициент остаточного ресурса от времени при различных значениях коэффициента использования локомотива. На основе сказанного выше, были построены зависимости коэффициента остаточного ресурса рамы промышленного тепловоза от времени, выраженного в годах. Полученные зависимости представлены на рисунке 5.2

Рисунок 5.2 - Зависимость коэффициента остаточного ресурса рамы локомотива от времени эксплуатации промышленного тепловоза.

Стоит отметить, что коэффициент остаточного ресурса не должен быть меньше единицы, иными словами в тот момент, когда коэффициент опускается

ниже указанного значения, возможно разрушение конструкции. Анализируя полученные зависимости, можно сделать вывод о том, что при оценке остаточного ресурса следует рассматривать индивидуально каждый локомотив, учитывая его интенсивность эксплуатации.

На основе сделанных выводов представляет интерес рассмотреть, как меняется коэффициент остаточного ресурса несущей конструкции (рамы) от коэффициента интенсивности эксплуатации локомотива, при заданном сроке службы. Результат представленной зависимости показан на рисунке 5.3

Рисунок 5.3 - Зависимость коэффициента остаточного ресурса рамы от коэффициента использования локомотива при заданном сроке службы 50 лет.

Таким образом, по результатам расчетов, приведенных на графике показанном на рисунке 5.3 можно утверждать, что безопасная эксплуатация по условиям прочности отдельно взятых промышленных тепловозов возможна до 50 лет, в соответствии с Положением [70], что подтверждается опытом эксплуатации, свидетельствующим об отсутствии усталостных трещин в главных рамах данного типа подвижного состава.

В результате можно сказать, что предложенный подход по оценки работоспособности конструкции позволяет получить ориентировочные значения, определяющие усталостную долговечность конструкции и коэффициента остаточного ресурса с использованием минимального количества исходных данных.

5.2 Выводы по разделу 5

1. Выполнен расчет по оценке усталостной прочности и долговечности несущего узла промышленного тепловоза.

2. В качестве необходимой исходной информации были использованы данные, полученные в предыдущих разделах.

3. Получена зависимость срока службы локомотива от его ежесуточного пробега, позволяющая оценивать остаточной ресурс конструкции. Полученные значения показали, что эксплуатация промышленного тепловоза до возникновения в несущей конструкции усталостных повреждений возможна сверх сроков, установленных заводом изготовителем.

4. Построена зависимость, показывающая как, изменяется коэффициент остаточного ресурса с течением времени при различных режимах эксплуатации.

5. Построена зависимость коэффициента остаточного ресурса от интенсивности эксплуатации локомотива при заданном сроке службы. Определен уровень эксплуатации промышленного тепловоза, при котором возможна эксплуатация локомотива сверх установленных значений.

Заключение

1. Диссертация ориентирована на то, чтобы промышленные тепловозы, представляющие частную собственность, имели возможность полностью использовать свой ресурс. Выявлено, что к особенностям работы этих тепловозов относятся малая интенсивность их работы, движение по путям промышленных предприятий с малыми скоростям (не более 30 км/ч), и их динамика, обусловлена проходом стыковых зазоров.

2. В качестве объекта исследования в диссертации рассматривается несущая рама промышленного тепловоза ТГК2. Впервые предложена и реализована расчетная модель рамы промышленного тепловоза, в которой используется аппроксимация этого узла объемными конечными элементами и выполнен расчет, в результате которого определяются наиболее нагруженные зоны и максимальные напряжения в них. Уровень внутренних напряжений в этих зонах составляет 73,8МПа.

3. Разработаны расчетные зависимости, в которых используются результаты расчетов на статические и динамические нагрузки для детерминированной оценки сопротивления усталости этих зон. По статической нагрузке определены средние напряжения знакопеременных циклов, а динамические - амплитуды динамических воздействий. Число циклов нагружений устанавливается по количеству стыков, пройденных локомотивом в среднем за сутки.

4. Обеспечение безопасности движения промышленных тепловозов во многом связано с усталостными повреждениями их несущих узлов, в частности, рамы. В диссертации решены вопросы, по определению нагруженности этих зон динамическими воздействиями при прохождении стыковых зазоров на путях промышленных предприятий. С этой целью созданы новые математические модели оценки динамической нагруженности с учетом упругих и диссипативных характеристик рессорного подвешивания локомотива. Впервые выполнен анализ этих моделей, в которых учитываются вязкое трение и два вида сухого трения:

сухое и сухое позиционное. Анализ нелинейных моделей осуществлялся численным методом.

5. Проанализированы различные варианты оценки коэффициентов вертикальной динамики, которыми определяются амплитуды динамических воздействий. Значение динамических нагрузок определяется с помощью коэффициента вертикальной динамики, полученного из анализа разработанных математических моделей движения локомотива по стыковым зазорам. Значение коэффициента динамики на скорости 30 км/ч составляет 0,32, т.е. амплитуда динамических воздействий составляет 23,6 МПа.

6. Для оценки достоверности выполненных расчетов результаты численного анализа динамических воздействий по расчетной схеме с сухим трением сопоставлялись с результатами решений при использовании эквивалентного вязкого трения. Имеет место удовлетворительное качественное и количественное соответствие результатов.

7. На основе выполненных расчетов получены результаты, представляющие зависимость срока службы от его ежесуточного пробега. Расчет показал, что ресурс рам промышленных тепловозов возможен до 50 лет.

8. Результаты расчета могут быть использованы экспертными организациями при решении вопросов, связанных с прогнозированием остаточного ресурса рам промышленных тепловозов, а также организациями, занимающимися разработками новых технических условий на выполнение работ по продлению сроков службы подвижного состава с модернизацией.

9. Из-за относительно небольшого количества исходной информации предложенный подход будет полезен организациям, занимающимся разработкой новых моделей подвижного состава на этапе проектирования несущих конструкций.

При создании новых моделей промышленных тепловозов, эксплуатируемых на путях промышленных предприятий, следует учитывать характер их работы и возможную интенсивность эксплуатации, которые существенно отличаются от характера работы локомотивов, эксплуатируемых на магистральных путях.

Перспективы дальнейшей разработки могут быть связаны с решением задач по оценке сопротивления усталости и долговечности применительно к промышленным тепловозам с учетом статистической информации о нагруженности несущих узлов при различных скоростях движения, а также информации о распределении скоростей движения по время эксплуатации.

Список сокращений и условных обозначений

МГИУ - метод граничных интегральных уравнений;

МКР - метод конечных разностей;

МКЭ - метод конечных элементов;

НДС - напряженно деформированное состояние;

ТР - технический регламент;

ТС - таможенный союз;

ЭВМ - электронно-вычислительная машина.

Список литературы

1. Технический регламент ТС «О безопасности железнодорожного подвижного состава» (ТР ТС 001/2011) [Текст] : [Решение Комиссии Таможенного союза от 15 июля 2011 г. №710] - 2011. - 66 с.

2. ГОСТ 23207-78 Сопротивление усталости. Основные термины, определения и обозначения [Текст]. - М. : Государственный комитет СССР по стандартам, 1978. - 48 с.

3. Положение «Локомотивы. Порядок продления назначенного срока службы» П.15.01.-2009 : [Утверждено пятьдесят третьим Советом по железнодорожному транспорту государств-участников содружества. Протокол от 20-21 октября 2010 г.]. - М. : 2010, - 24 с.

4. Болотин, В. В. Прогнозирование ресурса машин и конструкций [Текст] / В. В. Болотин. - М. : Машиностроение, 1984. - 311 с.

5. Болотин, В.В. Статистические методы в строительной механике [Текст] / В.В. Болотин. - М. : Стойиздат, 1965. - 279 с.

6. Когаев, В.М. Расчеты на прочность при напряжениях, переменных во времени [Текст] / В.М. Когаев. - М. : Машиностроение, 1977. - 231 с.

7. Серенсен, С.В. Несущая способность и расчеты деталей машин на прочность [Текст] / С.В. Серенсен, В.П. Когаев, Р.М. Шнейдерович. - М. : Машиностроение, 1975. - 488 с.

8. Бирюков, И.В. Механическая часть тягового подвижного состава [Текст]: Учебник для вузов ж.-д. трансп. / И.В. Бирюков, А.Н. Савоськин, Г.П. Бурчак и др.; Под ред. И.В. Бирюкова. - М. : Транспорт, 1992. - 440 с.

9. Оганьян, Э.С. Расчеты и испытания на прочность несущих конструкций локомотивов: учеб. пособие [Текст] / Э.С. Оганьян, Г.М. Волохов. - М. : ФГБОУ УМЦ ЖДТ, 2013. - 326 с.

10. Коссов, В.С. Вопросы исследования свободных колебаний колесных пар локомотивов на конечно-элементных моделях [Текст] / В.С. Коссов, Э.С. Оганьян,

М.Н. Овечников, Г.М. Волохов, Н.Ф. Красюков, А.Л. Протопопов // Вестник ВНИКТИ. - Коломна, 2013. - №95. - С. 13 - 20.

11. Грек, В.И. Математическое моделирование процесса запрессовки оси в колесо [Текст] / В.И. Грек, Г.М. Волохов, М.Н. Овечников, А.Л. Протопопов, В.В. Огуенко // Вестник ВЭлНИИ. - Новочеркасск, 2015. - №1(69). - С. 164 - 174.

12. Oganyan, E.S. Approbation of US AAR S-660 and S-669 standards criteria for rolling stock wheel durability research [Текст] / E. S. Oganyan, M. N. Ovechnikov, G. M. Volokhov, N. F. Krasyukov, A. L. Protopopov, A. A. Mishin, N. K. Zakablukova // 17TH INTERNATEONA WHEELSET CONGRESS. New technologies increasing operational lifecycle of wheelsets. - Kiev, 2013 - Part 2. - P. 161 - 172.

13. Антипин, Д.Я. Анализ усталостной долговечности и живучести литых боковых рам тележки модели 18-100 при продлении их срока службы [Текст] / Д.Я. Антипин // Мир транспорта и технологических машин. - Орел, 2012. -№4(39). - С. 42 - 47.

14. Черкашин, Ю.М. Разработка методики оценки ресурса несущих конструкций кузовов вагонов, прошедших капитально-восстановительный ремонт [Текст] / Ю.М. Черкашин, С.Д. Коршунов, Д.Я. Антипин // Вестник научно-исследовательского института железнодорожного транспорта. - М., 2011. - №1. -С. 19 - 22.

15. Шарков, О.В. Прогнозирование усталостной долговечности деталей машин с применением метода конечных элементов [Текст] / О.В. Шарков, И.А. Золотов, А.В. Калинин // Журнал Известия калининградского технического университета. - Калиниград : Издательство Калининградского государственного технического университета. - 2014. - С. 209-220.

16. Черныш, О.Н. Определение запаса прочности для углеродистых сталей при циклическом нагружении [Текст] / О.Н. Черныш // Пращ тавршського державного агротехнолопчного ушверситету. - Мелитополь : Тавршський державний агротехнолопчний ушверситет. - 2012. - С. 185-190.

17. Махутов, Н.А. Особенности статистических подходов при оценке статической прочности [Текст] / Н.А. Махутов, Д.О Резников, В.В. Зацаринный //

Безопасность в Техносфере. - М. : ООО «Научно-издательский центр ИНФРА-М». - 2014. - С. 33-39.

18. Волкова, Т.А. Влияние случайных нагрузок на долговечность элементов конструкций вагонов метро [Текст] / Т.А. Волкова, С.С. Волков // Транспорт Урала. - Екатеринбург : Уральский государственный университет путей сообщения, 2014.- №4(43) - С. 8-12.

19. Тарханов, В.И. Уточнение ресурса накопленных повреждений деталей машин [Текст] / В.И. Тарханов // Вестник ульяновского государственного технического университета. - Ульяновск : Ульяновский государственный технический университет, 2002. - №1(17). - С. 12-17.

20. Гриб, В.В. Накопление усталостных повреждений и оценка остаточного ресурса деталей с учетом изнашивания трибосопряжений в машине [Текст] / В.В. Гриб, И.М. Петрова // Вестник Московского автомобильно-дорожного государственного технического университета. - М. : Московский автомобильно-дорожный государственный технический университет, 2005. - №4. - С. 22-26.

21. Зайниддинов, Н.С. Оценка остаточного ресурса рам тележек тепловозов: дис. ... канд. техн. наук: 05.22.07 / Зайниддинов Нуриддин Савранбек угли. -СПб., 2010. - 169 с.

22. Бунин, Б.Б. Оценка долговечности и остаточного ресурса рам тележек локомотивов / Бунин Б.Б., Оганьян Э.С., Пономарева Т.М., Шевченко В.Г. // Журнал Тяжелое машиностроение. - М. : Издательство: Фонд поддержки и развития Научно-производственного объединения "Центральный научно-исследовательский институт технологии машиностроения". - 2007. - №4 - С. 3133.

23. Белоусов, В.Н. Исследование эксплуатационной нагруженности рам тележек локомотивов : автореф. дисс. ... канд. техн. наук / Белоусов Владимир Николаевич. - М., 1968. - 8 с.

24. Мейснер Б.А. Прочность и надежность рам локомотивных тележек (оценка и прогнозирование). Автореферат диссертации на соискание ученой степени докт. техн. наук. - М., ЦНИИ МПС, 1973. - 43 с.

25. Мейснер, Б.А. Вероятность усталостного повреждения рамы тележки локомотива [Текст] / Б.А. Мейснер, В.Н. Белоусов, В.П. Когаев. // Механическая усталость в статистическом аспекте. - М. : «Наука», 1969. - С. 135-141.

26. Королев, К.П. Сварные конструкции локомотивных тележек. Основные положения проектирования и изготовления [Текст] / К.П. Королев. - М. : «Транспорт», 1971. - 72 с.

27. Савоськин, А.Н. Прогнозирование показателей надежности рам тележек электроподвижного состава : автореф. дис. ... докт. техн. наук / Савоськин Анатолий Николаевич. - М., 1974. - 44 с.

28. Сердобинцев, Е.В. Совершенствование методов оценки прочности и безотказности несущих деталей подвижного состава железных дорог на основе учета случайных факторов : дис. ... докт. техн. наук / Сердобинцев Евгений Васильевич. - М., 2002. - 359 с.

29. Шадур, Л.А. Вагоны [Текст] / Л.А. Шадур и др. - М. : Транспорт, 1980. -439 с.

30. Шадур, Л.А. Расчет вагонов на прочность [Текст] / JI.A. Шадур. - М. : Машиностроение, 1978. - 432 с.

31. Вершинский, С.В. Расчет вагонов на прочность [Текст] / С.В. Вершинский и др. - М. : Транспорт, 1960. - 360 с.

32. Верховский, А.В. Метод неплоских сечений (напряжения и перемещения) [Текст] / А.В. Верховский, В.М. Аранович, Ю.В. Глявин др. - Горький : Волго-Вятское кн.изд., 1971. - 248 с.

33. Рахмелевич, А.А. Исследование напряженного состояния боковой рамы тележки ЦНИИ-ХЗ-0 (зона внутреннего угла буксового проема) [Текст] / А.А. Рахмелевич, P.M. Хаимов, А.П. Романов, Е.Н. Сомсонович Е.Н. // Сб. научн. тр. ВНИИВ. - М., 1975. - Вып. 28. -С. 3-15.

34. Цукерман, В.Д. Расчет напряжений в узлах литых рам тележек грузовых вагонов на основе гипотезы неплоских сечений [Текст] / В.Д Цукерман // Совершенствование эксплуатационных характеристик вагонов: Сб. науч. тр. ВНИИВ. - М., 1980. - Вып. 40. - С. 39-47.

35. Лисовский, А.С. Методика расчета рам тележек подвижного состава, учитывающая наличие в узлах тонкостенных кривых брусьев [Текст] / А.С. Лисовский, В.К. Окишев, Ю.А. Усманов // Сб. научн. трудов Омский ин-т инж. ж.-д.трансп. - Омск, 1965. - т.56. - С. 55-60.

36. Лисовский, А.С. Плоский изгиб и растяжение кривых тонкостенных брусьев [Текст] / А.С. Лисовский, В.К. Окишев, Ю.А. Усманов. - М.: Машиностроение, 1972. - 167 с.

37. Окишев, В.К. Методика расчета некоторых узлов боковой рамы тележки грузового вагона [Текст] / В.К. Окишев, А.С. Лисовский // Сб. научн. трудов Омский ин-т инж. ж.-д. трансп. - Омск, 1962. - Т. 38. - С. 95-103.

38. Окишев, В.К. Напряженное состояние криволинейных узлов рам тележек подвижного состава : автореф. дис. ... доктора техн. наук / Окишев Владимир Константинович. - М., 1985. - 28 с.

39. Бенерджи, П. Методы граничных элементов в прикладных науках [Текст] / П. Бенерджи, Р. Баттерфилд.- Пер с англ. - М. : Мир, 1984. - 496 с.

40. Бекбулатов, Т.А. Особенности реализации МКЭ для пространственной задачи ТУ в подготовительных выработках [Текст] / Т.А. Бекбулатов // Оптимизация технологии схем разработки полезных ископаемых. - Караганда, 1984. - С. 81-86.

41. Инструкция по текущему содержанию железнодорожного пути : [Утверждена распоряжением ОАО «РЖД» от 29 декабря 2012 г. №2791р]. - М. : 2012, - 234 с.

42. Стренг, Г., Теория метода конечных элементов [Текст] / Г. Стренг, Дж. Фикс. - М. : Мир, 1977. - 349 с.

43. Сегерлинд, Л. Применение метода конечных элементов в технике [Текст] / Л. Сегер-линд. М. : Мир, 1975. - 541 с.

44. Зенкевич, О. Метод конечных элементов в технике [Текст] / О. Зенкевич. -М. : Мир, 1975. - 541 с.

45. Секулович, М. Метод конечных элементов [Текст] / М. Секулович. - М. : Стройиздат, 1993. - 664 с.

46. Митчелл, Э. Метод конечных элементов для уравнений с частными производными [Текст] / Э. Митчелл, Р. Уэйт. - М. : Мир, 1981. - 216 с.

47. Галлагер, Р. Анализ напряжений в конструкциях сложной формы, подверженных нагреву [Текст] / Дж. Падлог, П. Бейлард // Ракет, техника и космонавтика. - 1962. - № 5(32). - С. 52-61.

48. Melosh, R.J. Structural analysis of solids [Текст] / R.J. Melosh // J. Struct. Div. ASCE. - 1963. - №89. - С. 205-223.

49. Аргирис, Дж. Матричный анализ малых и больших перемещений в трехмерных упругих средах [Текст] / Дж. Аргириз // Ракетная техника и космонавтика. - 1965. - №1. - С 177-186.

50. Argyris, J.H. Three-dimensional anisotropic and inhomogeneous elastic media matrix analysis for small and large displacements [Текст] / J.H. Argyris // IngenieurArchiv. - 1965. - vol.34, N 1. - p. 33-55.

51. Rashid, J. R. Pressure Vessels Analisis by Finite Element [Текст] / J. R. Rashid // W. Rock-enhouser Techniques Proc. P.C.P.V. - Conference. - 1968. - London.

52. Смирнов, А.Ф. Строительная механика. Стержневые системы [Текст] / А.Ф.Смирнов, A.B. Александров, Б.Я. Лащеников, H.H. Шапошников. - М. : Стройиздат, 1981. - 512 с.

53. Александров, A.B. Основы теории упругости и пластичности [Текст] / А.В. Александров, В.Д. Потапов. - М. : Высшая школа, 1990. - 400 с.

54. Александров, А.В. Сопротивление материалов : Учеб. для вузов [Текст] / А.В. Александров, В.Д. Потапов, Б.П. Державин. - М. : Высш. шк., 1995. - 560 с.

55. Смирнов, А. Ф. Сопротивление материалов [Текст] / А.Ф. Смирнов, А.В. Александров и др. - М. : Высш. шк., 1975. - 480 с.

56. Смирнов, А.Ф. Строительная механика. Динамика и устойчивость сооружений [Текст] / А.Ф. Смирнов, А.В. Александров, Б.Я. Лащеников, Н.Н. Шапошников. - М. : Стройиздат, 1984. - 616 с.

57. Смирнов, А.Ф. Устойчивость и колебания сооружений [Текст] / А.Ф. Смирнов. - М. : Трансжел-дориздат, 1958. - 572 с.

58. Алямовский, А.А. COSMOSWorks. Основы расчета конструкций на прочность в среде SolidWorks [Текст] / А.А. Алямовский. - М. : ДМК Пресс, 2011.

- 783 с.

59. Алямовский, A.A. SolidWorks. Компьютерное моделирование в инженерной практике [Текст] / А.А. Алямовский и др. - Санкт-Петербург : БХВ-Петербург, 2005. - 800 с.

60. Шимкович, Д. Г. Расчет конструкций в MSC/NASTRAN for Windows [Текст] / Д.Г. Шимкович. - М. : ДМК Пресс, 2001. - 448 с.

61. Каплун А.Б. ANSYS в руках инженера. Практическое руководство [Текст] / А.Б. Каплун, Е.М. Морозов, М.А. Олферьева. - М. : Едиториал УРСС, 2004. - 272 с.

62. Чернявский, А.О. Метод конечных элементов. Основы практического применения [Текст] / А.О. Чернявский. - М. : Машиностроение, 2007. - 106 с.

63. Сакало, В.И. Сопротивление материалов: Учебное пособие [Текст] / В.И. Сакало. - Брянск : БГТУ, 2009. - 528 с.

64. Тимошенко, С.П. Колебания в инженерном деле [Текст] / С.П. Тимошенко, Д.Х. Янг, У. Уивер. - М. : Машиностроение, 1985. - 472 с.

65. Филиппов, А. П. Колебания механических систем [Текст] / А.П. Филиппов.

- Киев : Наукова думка, 1965. - 357 с.

66. Филиппов, А. П. Воздействие динамических нагрузок на элементы конструкций [Текст] / А.П. Филиппов, С.С. Кохманюк, Ю.С. Воробьев. - Киев : Наукова думка, 1974. - 360 с.

67. Бабаков, И. М. Теория колебаний [Текст] / И.М. Бабаков. - М. : Наука, 1965.

- 560 с.

68. Меланин, В.М. К вопросу о моделировании напряженно-деформированного состояния колеса вагона [Текст] / В. М. Меланин // М.: Транспорт Российской Федерации. - 2012. - № 3-4. - С. 88-92.

69. Вершинский, С.В. Динамика вагона [Текст] / С.В. Вершинский, В.Н. Данилов, И.И. Челноков. - М. : Транспорт, 1972. - 353 с.

70. Живейнов, Н.Н. Строительная механика и металлоконструкции строительных и дорожных машин: Учеб. для вузов [Текст] / Н.Н. Живейнов, Г.Н. Карасев, И. Ю. Цвей. - М. : Машиностроение, 1988. - 280 с.

71. ФЕДЕРАЛЬНЫЙ ЗАКОН от 21.07.97 N 116-ФЗ (ред. от 04.03.2013 с изменениями, вступившими в силу 01.07.2013) О промышленной безопасности опасных производственных объектов : [федер. закон: принят Гос. Думой 20 июня 1997 г. : по состоянию на 04 марта 2013 г.]. - М. : 2013, - 23 с.

72. Нормы для расчета и проектирования новых и модернизируемых вагонов железных дорог МПС колеи 1520 мм (несамоходных). - М. : ГосНИИВ-ВНИИЖТ, 1996. - 317 с.

73. Григорьев, П.С. Детерминированная оценка выносливости рам тележек электропоездов [Текст] / П.С. Григорьев, М.А. Гордеев // Материалы международной научно-технической конференции «Подвижной состав XXI века: идеи, требования проекты», Санкт-Петербург, 2013 г. - С. 147 - 148.

74. Меланин, В.М. К обоснованию использования остаточного ресурса вагонов [Текст] / В.М. Меланин, М.П. Козлов, М.В. Козлов, П.С. Григорьев // Железнодорожный транспорт. - 2015. - №12-2015. - С. 58 - 59.

75. Писаренко, Г.С. Справочник по сопротивлению материалов / Г.С. Писаренко, А.П. Яковлев, В.В. Матвеев - Киев : Наукова думка, 1988. - 736 с.

76. Николаев, Г.А. Сварные конструкции. Прочность сварных соединений и деформации конструкций: Учебное пособие [Текст] / Г.А. Николаев, С.А. Куркин, В.А. Винокуров. М. : Высшая школа, 1982. - 272 с.

77. Ряхин, В.А. Долговечность и устойчивость сварных конструкций строительных и дорожных машин [Текст] / В.А. Ряхин, Г.Н. Мошкарев. - М. : Машиностроение, 1984. - 232 с.

78. Вершинский, A.B. Технологичность и несущая способность крановых металлоконструкций [Текст] / А.В. Вершинский. - М. : Машиностроение, 1984. -167 с.

79. Биргер, И.А. Остаточные напряжения [Текст] / И.А. Биргер. - М.: Машиностроение, 1963. - 232 с.

80. Труфяков, В.И. Сопротивление сварных соединений усталостным разрушениям с учетом влияния остаточных напряжений [Текст] /В.И. Труфяков. // В кн.: Научные проблемы сварки и специальной электрометаллургии, ч.2. -Киев : Наукова думка, 1970. - С. 123-132.

81. Нормы для расчета и оценки прочности несущих элементов, динамических качеств и воздействия на путь экипажной части локомотивов железных дорог МПС России колеи 1520 мм. - М. : ВНИИЖТ, 1998, - 145 с.

82. Лукин, В.В. Конструирование и расчет вагонов: учебник [Текст] / В.В. Лукин, П.С. Анисимов, В.Н. Котуранов, В.В. Кобищанов и др.; Под ред. П.С. Анисимова. - 2-е изд., перераб. и доп. - М. : ФГОУ «Учебно-методический центр по образованию на железнодорожном транспорте», 2011. - 688 с.

83. Бидерман, В.Л. Прикладная теория механических колебаний [Текст] / В.Л. Бидерман. - М. : Высш. школа, 1972. - 416 с.

84. Мысовских, И.П. Лекции по методам вычислений: учебное пособие [Текст] / И.П. Мысовских. - 2-е изд., испр. и доп. - СПб. : Изд-во СПбГУ, 1998. - 472 с.

85. Тепловоз ТГК2. Описание и руководство по обслуживанию локомотива. -1988. - 137 с.

86. Воронков, И.М. Курс теоретической механики [Текст] / И.М. Воронков. -М. : Наука, 1966. - 596 с.

87. Медель, В.Б. Динамика электровоза [Текст] / В.Б. Медель. - М.: Трансжелдориздат, 1977. - 414 с.

88. Медель, В. Б. Подвижной состав электрических железных дорог [Текст] / В.Б. Медель. - М.: Транспорт, 1974. - 232 с.

89. Андрианов, С.С. Нагруженность элементов специализированных вагонов, оборудованных амортизаторами повышенной энергоемкости [Текст] : дисс. ... канд. техн. наук / С.С. Андрианов. - М., МИИТ, 2006. - с. 106.

90. Григорьев, П.С. Определение динамической нагруженности несущего узла маневрового локомотива [Текст] / П.С. Григорьев // Транспорт Российской Федерации. - 2015. - №3(58). - С. 44 - 46.

91. Анисимов, П.С. Безопасность движения открытого подвижного состава при несимметричном размещении тяжеловесных и крупногабаритных грузов : дисс. ... д-ра техн. наук / Анисимов Петр Степанович. - М., 1988. - 608 с.

92. Григорьев, П.С. Оценка безопасности эксплуатации рамы маневрового локомотива ТГК2 по остаточному ресурсу [Текст] / П.С. Григорьев, С.В. Володин // Труды МИИТ: Четырнадцатая Научно-практическая конференция «Безопасность движения поездов». - 2013. - С. 111-5.

93. Нафиков, Г.-А.М. Динамика электроподвижного состава : учебно-методическое пособие [Текст] / Г.-А.М. Нафиков. - Екатеринбург, 2010. - 88с.

94. Григорьев, П.С. Срок службы локомотива с учетом оценки усталостной прочности [Текст] / П.С. Григорьев // Мир транспорта. - 2015. - №4(59). - С. 72 -78.

Приложение А

Результаты замеров толщин несущих конструкций локомотивов

Карта замероЬ толщин рамы теплоЬоза ТГМ 23В

№657

/ 2 3 4

Рама тепловоза №№ точек Правая сторона Левая сторона

1 2 3 4 1 2 3 4

Значение замера 24,8 25,0 24,9 24,7 24,9 24,6 24,8 25,0

Буферный лист № точек 5 6 7 8 5 6 7 8

Значение замера 25,1 24,9 24,7 25,0 24,7 24,7 25,1 24,9

Тип прибора (толщиномера) Зой. номер Дата пойерки

УТ-301 37 02 фейраля 2013

Карта замеро& толщин рамы тепло&оза ТГМ 23Д

№156

/ 2 3 4

Рама тепловоза №№ точек Правая сторона Левая сторона

1 2 3 4 1 2 3 4

Значение замера 24,7 25,0 24,7 24,6 24,9 24,8 24,7 25,0

Буферный лист № точек 5 6 7 8 5 6 7 8

Значение замера 24,7 24,9 25,0 24,8 24,8 24,7 24,7 24,9

Тип прибора (толщиномера) Зай. номер Дата пойерки

УТ-301 37 02 фейраля 2013

Карта замерой толщин рамы тепло&оза ТГМ 23Д

№341

/ 2 3 4

5 У \ \ г 7

ч /

6 8

Рама тепловоза точек Правая сторона Левая сторона

1 2 3 4 1 2 3 4

Значение замера 25,1 24,8 24,7 24,6 24,5 24,8 24,6 24,9

Буферный лист N9 точек 5 6 7 8 5 6 7 8

Значение замера 24,2 24,6 24,8 24,9 25,0 24,8 24,8 24,9

Тип прибора (толщиномера) Зой. номер Дата поВерки

УТ-301 37 02.12.2012

Приложение Б Численная реализация расчетных формул

Приложение В

Результат реализации вычислений исходных данных в программе MathCad

1. Исходные данные

1.1 Расчет жесткости листовой рессоры

Е-2.06-Ю1 6 := 0.1 /г:=0.013 Пк:= 3

Пп:=7

Ь:=0.92 а:= 0.14

Модуль упругости Ширина рессоры Толщина листа Число коренных листов Число наборных листов Длина листа Ширина хомута

о Е1 ш и и 3

СУ 1 := ' • (пп +1.5 • пк) =2.084 • 106

3-

Жесткость листовой рессоры

1.2 Расчет относительного коэффициента трения в листовой рессоре ц-.-ОЛ Коэффициент трения между листами

п:=пп+пк Общее число листов

/ \ ь

/у

<¿> = 0.117

1 +

щ

2-п

Коэффициент относительного трения

1.3 Расчет жесткости пружини рессорного подвешивания

С := 78.5-10й

о.озо ^==0.100 пп~ 7

Модуль сдвига материала витков пружины Диаметр витка пружины Диаметр средней линии витка пружины Число рабочих витков пружины

Ср-.=—-—-—= 1.135- ю6 Жесткость пружин рессорного подвешивания 8-с1/-пп

Ск := 598.66 • 106

Жесткость колеса

1.4 Расчет суммарной жесткости рессорного подвешивания

С_1==-

1

1 1 1

Сг1 2 -Ср Ск

Ск:=2-С_1=2.169.106 С:=2-Ск=4.339-106

-= 1.085 • 10° Жесткость одного рессорного комплекта

Жесткость рессорного комплекта приходящееся на 1 колесную пару Суммарная жесткость всего рессорного комплекта

1.5 Массовые и инерционные характеристики

М:= 30000 кд т2:= 1500 кд ш:,~2200 кд т4:=2200 кд т5:=2200 кд 1.5.1 Определение центра масс

т, :=М— (т2 + тп3 + т4 + т5)

ж1:=0 т х2:= —1.9 т ®3:=0.28 т 1, = -1.4 т ®5:=1.9т

т1 • х1 + т2 • х2 + т3 • х3 + т4 • х4 + тъ • хъ т1 + ПЪ + тз + т4 + тъ

-0.038 т

у1:=0 т у2:=\.1 т у3:=0.5 т 0.22 ш у5:=—0.22 т

тгу1+тп2-у2 + т3-у3 + т4-у4 + т5-у5

Ус~

ту + 171*2 + т3 + т4 + т5

-=0.064 т

1.5.2 Расчет момента инерции

04:= 7.03 ш а2~ 1.88 т а3:= 1.715 т

Нх0.75 то Н2 1.238 т 1г3 0.89 то

Ц2+1г22

а + Ь,

J^n••=m1•—'-—'—= (9.122 • 104) кд-т2 «702:=т2'

./03:=ш3.-

12

2 . . 2 аз +Лз

12

-=684.443 кд-т2

./04:=0 кд-т

12

2

Л:=(^1 + т1-({х1-хс) +(у1-ус) )) + (^02 + ^2- ((®2-®с) +(У2-

.72 :=(,/0з + т3-((ж:3-ж,) + (2/3 — 2/с) )) + (.704 + то4-((ж4-жс) + (у4

.73 := (.705 + т5 • ( (®5 - ®с) + (у 5 - ус)

J:=J1+J2+J3

.7= (1.131-Ю5) кд-т2

т:= 30000

Масса локомотива

7:= 1.131 -105

Момент инерции локомотива

1.6 Расчет коэффициента вязкого трения

С1 :=4'Сг1 • (1+<£>) = 9.31 • ю6 Жесткость упругих элементов при сжатии

С2 ~ 4 • Сг1 • (1 — = 7.359 • ю'' Жесткость упругих элементов при растяжении

С0:= 4-Сг1 = 8.335- ю'' Средняя жесткость упругих элементов

Ртяг := 105000 Сила тяги локомотива

/тр:=0.()5 Коэффициент трения в челлюстях

А~—=0.007 Амплитуда колебаний

С

^тяг' fmp

а:=--

с

V т

1.7 Расчет коэффициента затухания и частоты собственных колебаний

&■■=—=3.575 Коэффициент затухания

т

Зона застоя

—+2- —-- =1.073-ю5 Коэффициент вязкого трения

2 / С

ш_с~ \ 2 — = 17.007 Частота собственных колебаний при подпрыгивании

т

:=2\]и_с2 -/З2 = 16.627 Частота собственных колебаний с учетом затухания при подпрыгивании

2

ш

Приложение Г

Численные результаты расчетов, реализующих решения дифференциальных

уравнений в программе MathCad

2 Результаты аналитического решения

г(<)._ у Ьст .8т(и• <) Подпрыгивание

ш • Н.к

I

(р(£) У Ьст— • зт(шг) Угол поворота при галопировании и • Н.к • Ь^

2.1 Реализация зависимости сил, приходящихся на опорные точки одной колесной пары от времени при проходе одного рельсового звена

Усилия на левой по ходу движения колесной паре Усилия на правой по ходу движения колесной паре

-2.2-101-

г

Приложение Д

Результаты расчетов остаточного ресурса рамы промышленного тепловоза в

программе MathCad

ЛГ:=-=-= 1.448- 108 количество циклов, способное

( п г \ выдержать рама локомотива

Срок службы, лет

Срок службы, лет